重识JVM（二）-解构Java对象

前言

大家好，又见面了，今天是JVM专题的第二篇文章，在上一篇文章中我们说了Java的类和对象在JVM中的存储方式，并使用HSDB进行佐证，没有看过上一篇文章的小伙伴可以点这里：重识JVM（一）-类与对象在JVM中是如何存储的。

这篇文章主要会对Java对象进行详细分析，基于上一篇文章，对Java对象的布局及其底层的一些机制进行解读，相信这些会对后期JVM调优有很大的帮助。

对象的内存布局

在上篇文章中我们提到，对象在JVM中是由一个Oop进行描述的。回顾一下，Oop由对象头(_mark、_metadata)以及实例数据区组成，而对象头中存在一个_metadata，其内部存在一个指针，指向类的元数据信息，就是下面这张图:

而今天要说的对象的内存布局，其底层实际上就是来自于这张图。

了解过对象组成的同学应该明白，对象由三部分构成，分别是：对象头、实例数据、对齐填充组成，而对象头和示例数据，对应的就是Oop对象中的两大部分，而对齐填充实际上是一个只在逻辑中存在的部分。

• 对象头

  我们可以对这三个部分分别进行更深入的了解，首先是对象头：

  对象头分为MarkWord和类型指针，MarkWord就是Oop对象中的_mark，其内部用于存储对象自身运行时的数据，例如：HashCode、GC分代年龄、锁状态标志、持有锁的线程、偏向线程Id、偏向时间戳等。

  这是笔者在网上找的关于对象头的内存布局(64位操作系统，无指针压缩)：

  

  对象头占用128位，也就是16字节，其中MarkWord占8字节，Klass Point(类型指针)占8字节，MarkWord中所存储的信息，是这个对象最基本的一些信息，例如GC分代年龄，可以让JVM判断当前对象是否应该进入老年代，锁状态标志，在处理并发的过程中，可以判断当前要以什么级别的手段来保证线程安全，从而优化同步操作的性能，其他的相信大家都比较了解，这里就暂时先不一一列举了。当然，对象头在之后的并发专题依旧会有所提及。

  而对象头的另外8字节，是KlassPoint，类型指针，在上一篇文章的Oop模型中，提到类型指针指向Klass对象，用于在运行时获取对象所属的类的元信息。

• 实例数据

  何为实例数据，顾名思义，就是对象中的字段，用更严谨一点的话来说，类的非静态属性，在生成对象后，就是实例数据，而实例数据这部分的大小，就是实实在在的多个属性所占的空间的和，例如有下面这样一个类：

  public class Test{
      private int a;
      private double b;
      private boolean c;
  }
  

  那么在new Test()操作之后，这个对象的实例数据区所占的空间就是4+8+1 = 13字节，以此类推。

  而在Java中，基本数据类型都有其大小：

  boolean --- 1B

  byte --- 1B

  short --- 2B

  char --- 2B

  int --- 4B

  float --- 4B

  double --- 8B

  long --- 8B

  除了上述的八个基本数据类型以外，类中还可以包含引用类型对象，那么这部分如何计算呢？

  这里需要分情况讨论，由于还没有说到指针压缩，那么大家就先记下好了：

  如果是32位机器，那么引用类型占4字节。

  如果是64位机器，那么引用类型占8字节。

  如果是64位机器，且开启了指针压缩，那么引用类型占4字节。

  如果对象的实例数据区，存在别的引用类型对象，实际上只是保存了这个对象的地址，理解了这个概念，就可以对这三种情况进行理解性记忆了。

  为什么32位机器的引用类型占4个字节，而64位机器引用类型占8字节？

  这里就要提到一个寻址的概念，既然保存了内存地址，那就是为了日后方便寻址，而32位机器的含义就是，其地址是由32个Bit位组成的，所以要记录其内存地址，需要使用4字节，64位同理，需要8字节。

• 对齐填充

  我们提到对象是由三部分构成，但是上文只涉及了两部分，还有一部分就是对齐填充，这个是比较特殊的一个部分，只存在于逻辑中，这里需要科普一下，JVM中的对象都有一个特性，那就是8字节对齐，什么叫8字节对齐呢，就是一个对象的大小，只能是8的整数倍，如果一个对象不满8的整数倍，则会对其进行填充。看到这里可能有同学就会心存疑惑，那假设一个对象的内容只占20字节，那么根据8字节对齐特性，这个对象不就会变成24字节吗？那岂不是浪费空间了？根据8字节对其的逻辑，这个问题的答案是肯定的，假设一个对象只有20字节，那么就会填充变成24字节，而多出的这四个字节，就是我们所说的对齐填充，笔者在这里画一张图来描述一下：

  

  对象头在不考虑指针压缩的情况下，占用16个字节，实例数据区，我们假设是一个int类型的数据，占用4个字节，那么这里一共是20字节，那么由于8字节对齐特性，对象就会填充到24字节。

  那么为什么要这么去设计呢？，刚开始笔者也有这样的疑惑，这样设计会有很多白白浪费掉的空间，毕竟填充进来的数据，在逻辑上是没有任何意义的，但是如果站在一个设计者的角度上看，这样的设计在日后的维护中是最为方便的。假设对象没有8字节对齐，而是随机大小分布在内存中，由于这种不规律，会造成设计者的代码逻辑变得异常复杂，因为设计者根本不知道你这个对象到底有多大，从而没有办法完整地取出一整个对象，还有可能在这种不确定中，取到其它对象的数据，造成系统混乱。

  当然，有些同学觉得设计上的问题总能克服，这点原因还不足以让我们浪费内存，这就是我理解的第二点原因，这么设计还会有一种好处，就是提升性能，假设对象是不等长的，那么为了获取一个完整的对象，就必须一个字节一个字节地去读，直到读到结束符，但是如果8字节对齐后，获取对象就可以以8个字节为单位进行读取，快速获取到一个对象，也不失为一种以空间换时间的设计方案。

  那么又有同学要问了，那既然8字节可以提升性能，那为什么不16字节对齐呢，这样岂不是性能更高吗？答案是：没有必要，有两个原因，第一，我们对象头最大是16字节，而实例数据区最大的数据类型是8个字节，所以如果选择16字节对齐，假设有一个18字节的对象，那么我们需要将其填充成为一个32字节的对象，而选择8字节填充则只需要填充到24字节即可，这样不会造成更大的空间浪费。第二个原因，允许我在这里卖一下关子，在之后的指针压缩中，我们再详细进行说明。

• 关于对象内存布局的证明方式

  证明方式有两种，一种是使用代码的方式，还有一种就是使用上一篇文章中我们提到的，使用HSDB，可以直接了当地查看对象的组成，由于HSDB在上一篇文章中已经说过了，所以这里只说第一种方式。

  首先，我们需要引入一个maven依赖：

  <!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.openjdk.jol/jol-core -->
  <dependency>
      <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
      <artifactId>jol-core</artifactId>
      <version>0.10</version>
  </dependency>
  

  引入这个依赖之后，我们就可以在控制台中查看对象的内存布局了，代码如下：

  public class Blog {
      public static void main(String[] args) {
          Blog blog = new Blog();
          System.out.println(ClassLayout.parseInstance(blog).toPrintable());
      }
  }
  

  首先是关闭指针压缩的情况，对齐填充为0字节，对象大小为16字节：

  

  然后是开启指针压缩的情况，对齐填充为4字节，对象大小依旧为16字节：

  

  解释一下为什么两种情况都是16字节：

  开启指针压缩，对象大小（16字节） = MarkWord（8字节）+ KlassPointer（4字节）+ 数组长度（0字节） + 实例数据（0字节）+ 对齐填充（4字节） 关闭指针压缩，对象大小（16字节）= MarkWord（8字节）+ KlassPointer（8字节）+ 数组长度（0字节）+ 实例数据（0字节） + 对齐填充（0字节）

如何计算对象的内存占用

在第一节中我们已经详细阐述了对象在内存中的布局，主要分为三部分，对象头、实例数据、对齐填充，并且进行了证明。这一节中来带大家计算对象的内存占用。

实际上在刚才对内存布局的阐述中，应该有很多同学都对如何计算对象内存占用有了初步的了解，其实这也并不难，无非就是把三个区域的占用求和，但是上文中我们只是说了几种简单的情况，所以这里主要来说说我们上文中没有考虑到的，我们将分情况进行讨论并证明。

• 对象中只存在基本数据类型

  public class Blog {
      private int a = 10;
      private long b = 20;
      private double c = 0.0;
      private float d = 0.0f;
  
      public static void main(String[] args) {
          Blog blog = new Blog();
          System.out.println(ClassLayout.parseInstance(blog).toPrintable());
      }
  }
  

  这种情况是除了空对象以外的最简单的一种情况，假设对象中存在的属性全都是Java八种基本类型中的某一种或某几种类型，对象的大小如何计算？

  不妨先来看看结果：

  

  对于这种情况，我们只需要简单地将对象头+示例数据+对齐填充即可，由于我们在对象中存在四个属性，分别为int(4字节)+long(8字节)+double(8字节)+float(4字节)，可以得出实例数据为24字节，而对象头为12字节（指针压缩开启），那么一共就是36字节，但是由于Java中的对象必须得是8字节对齐，所以对齐填充会为其补上4字节，所以整个对象就是：

  对象头(12字节)+实例数据(24字节)+对齐填充(4字节) = 40字节

• 对象中存在引用类型（关闭指针压缩）

  那么对象中存在引用类型，该如何计算？这里涉及到开启指针压缩和关闭指针压缩两种情况，我们先来看看关闭指针压缩的情况，究竟有何不同。

  public class Blog {
      Map<String,Object> objMap = new HashMap<>(16);
  
      public static void main(String[] args) {
          Blog blog = new Blog();
          System.out.println(ClassLayout.parseInstance(blog).toPrintable());
      }
  }
  

  同样，先看结果：

  

  可以看到，对象的实例数据区存在一个引用类型属性，就像第一节中说的，只是保存了指向这个属性的指针，这个指针在关闭指针压缩的情况下，占用8字节，不妨也计算一下它的大小：

  对象头(关闭指针压缩，占用16字节)+实例数据（1个对象指针8字节）+ 对齐填充(无需进行填充)=24字节

• 对象中存在引用类型（开启指针压缩）

  那么如果是开启指针压缩的情况呢？

  

  如果是开启指针压缩的情况，类型指针和实例数据区的指针都仅占用4字节，所以其内存大小为：

  MarkWord(8B)+KlassPointer(4B)+实例数据区(4B)+对齐填充(0B) = 16B

• 数组类型（关闭指针压缩）

  如果是数组类型的对象呢？由于在上文中已经形成的定向思维，大家可能已经开始使用原先的套路开始计算数组对象的大小了，但是这里的情况就相对比普通对象要复杂很多，出现的一些现象可能要让大家大跌眼镜了。

  我们这里枚举三种情况：

  public class Blog {
  
      private int a = 10;
      private int b = 10;
  
  
      public static void main(String[] args) {
          //对象中无属性的数组
          Object[] objArray = new Object[3];
          //对象中存在两个int型属性的数组
          Blog[] blogArray = new Blog[3];
          //基本类型数组
          int[] intArray = new int[1];
          System.out.println(ClassLayout.parseInstance(blogArray).toPrintable());
          System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objArray).toPrintable());
          System.out.println(ClassLayout.parseInstance(intArray).toPrintable());
      }
  }
  

  依旧是先看结果：

  首先是第一种情况：对象中无属性的数组：

  

  同样的一个打印对象操作，除了MarkWord、KlassPointer、实例数据对齐填充以外，多了一篇空间，我们可以发现，原先在普通对象的算法，已经不适用于数组的算法了，因为在数组中出现了一个很诡异而我们从没有提到过的东西，那就是对象头的第三部分——数组长度。

  数组长度究竟为何物？

  如果对象是一个数组，它的内部除了我们刚才说的那些以外，还会存在一个数组长度属性，用于记录这个数组的大小，数组长度为32个Bit，也就是4个字节，这里也可以关联上一个基础知识，就是Java中数组最大可以设置为多大？跟计算内存地址的表示方式类似，由于其占4个字节，所以数组的长度最大为2^32。

  我们再来看看实例数据区的情况，由于其存放了三个对象，而我们在对象中存在引用类型这个情况中阐述过，即使存在对象，我们也只是保存了指向其内存地址的指针，这里由于关闭了指针压缩，所以每个指针占用8个字节，一共24字节。

  再回到图上，在前几个案例中，对齐填充都在实例数据区之后，但是这里对齐填充是处于对象头的第四部分。在实例数据区之前，也就是在数组对象中，出现了第二段的对齐填充，那么数组对象的内存布局就应该变成下图这样：

  

  我们可以在另外两种情况中验证这个想法：

  对象中存在两个int型属性的数组：

  

  基本数据类型数组：

  我们可以看到，即使对象中存在两个int类型的数组，依旧保存其内存地址指针，所以依旧是4字节，而在基本类型的数组中，其保存的是实例数据的大小，也就是int类型的长度4字节，如果数组长度是3，这里的实例数据就是12字节，以此类推，而这种情况下，同样出现了两段填充的现象，由于我们代码中的数组长度设置为1，所以这里的对象大小为:

  MarkWord(8B)+KlassPointer(8B)+数组长度(4B)+第一段对齐填充(4B)+实例数据区(4B)+第二段对齐填充(4B) = 32B

• 数组类型（开启指针压缩）

  那么如果开启指针压缩又会是什么样的状况呢？有了上面的基础，大家可以先考虑一下，我这里就直接上图了。

  长度为1的基本类型数组：

  

  在对象中存在引用类型（开启指针压缩）中我说过只要开启了指针压缩，我们的类型指针就是占用4个字节，由于是数组，对象头中依旧多了一个存放对象的指针，但是对象头中的对齐填充消失了，所以其大小为：

  MarkWord(8B)+KlassPointer(4B)+数组长度(4B)+实例数据区(4B)+对齐填充(4B) = 24B

• 仅存在静态变量

  最后一种情况，假设类中仅存在一个静态变量(开启指针压缩)：

  public class Blog {
      private static Map<String,Object> mapObj = new HashMap<>(16);
  
  
      public static void main(String[] args) {
          Blog blog = new Blog();
          int[] intArray = new int[1];
          System.out.println(ClassLayout.parseInstance(blog).toPrintable());
      }
  }
  

  

  可以看到其内部并没有实例数据区，原因很简单，我们也说过，大家要记住，只有类的非静态属性，在生成对象后，才是实例数据，而静态变量不在其列。

• 总结

  关于如何对象的大小，其实很简单，我们首先关注是否是开启了指针压缩，然后关注其是普通对象还是数组对象，这里做个总结。

  如果是普通对象，那么只需要计算：MarkWord+KlassPointer（8B）+实例数据+对齐填充。

  如果是数组对象，则需要分两种情况，如果是开启指针压缩的情况，那么分为五段：MarkWord+KlassPointer（4B）+第一段对齐填充+实例数据+第二段对齐填充。

  如果对象中存在引用类型数据，则保存的只是指向这个数据的指针，在开启指针压缩的情况下，为4字节，关闭指针压缩为8字节。

  如果对象中存在基本数据类型，那么保存的就是其实体，这就需要按照8中基本数据类型的大小来灵活计算了。

指针压缩

在本篇文章中我们和指针压缩打过多次交道，那么究竟是什么指针压缩？

简单来说，指针压缩就是一种节约内存的技术，并且可以增强内存寻址的效率，由于在64位系统中，对象中的指针占用8字节,也就是64Bit，我们再来回顾一下，8字节指针可以表示的内存大小是多少？

2^64 = 18446744073709552000Bit = 2147483648GB

很显然，站在内存的角度，首先，在当前的硬件条件下，我们几乎不可能达到这种内存级别。其次，64位对象引用需要占用更多的对空间，留给其他数据的空间将会减少，从而加快GC的发生。站在CPU的角度，对象引用变大了，CPU能缓存的对象也就少了，每次使用时都需要去内存中取，降低了CPU的效率。所以，在设计时，就引入了指针压缩的概念。

• 指针压缩原理

  我们都知道，指针压缩会将原先的8字节指针，压缩到4字节，那么4字节能表示的内存大小是多少？

  2^32 = 4GB

  这个内存级别，在当前64位机器的大环境下，在大多数的生产环境下已经是不够用了，需要更大的寻址范围，但是刚才我们看到，指针压缩之后，对象指针的大小就是4个字节，那么我们需要了解的就是，JVM是如何在指针压缩的条件下，提升寻址范围的呢？

  需要注意的一点是：由于32位操作系统，能够识别的最大内存地址就是4GB，所以指针压缩后也依旧够用，所以32位操作系统不在这个讨论范畴内，这里只针对64位操作系统进行讨论。

  首先我们来看看，指针压缩之后，对象的内存地址存在何种规律：

  假设这里有三个对象，分别是对象A 8字节，对象B 16字节，对象C 24字节。

  那么其内存地址(假设从00000000)开始，就是:

  A：00000000 00000000 00000000 00000000 0x00000000

  B：00000000 00000000 00000000 00001000 0x00000008

  C：00000000 00000000 00000000 00010000 0x00000010

  由于Java中对象存在8字节对齐的特性，所以所有对象的内存地址，后三位永远是0。那么这里就是JVM在设计上解决这个问题的精妙之处。

  首先，在存储的时候，JVM会将对象内存地址的后三位的0抹去（右移3位），在使用的时候，将对象的内存地址后三位补0（左移3位），这样做有什么好处呢。

  按照这种逻辑，在存储的时候，假设有一个对象，所在的内存地址已经达到了8GB，超出了4GB，那么其内存地址就是:**00000010 00000000 00000000 00000000 00000000 **

  很显然，这已经超出了32位（4字节）能表示的最大范围，那么依照上文中的逻辑，在存储的时候，JVM将对象地址右移三位，变成01000000 00000000 00000000 00000000，而在使用的时候，在后三位补0（左移3位），这样就又回到了最开始的样子：**00000010 00000000 00000000 00000000 00000000 **，就又可以在内存中找到对象，并加载到寄存器中进行使用了。

  由于8字节对齐，内存地址后三位永远是0这一特殊的规律，JVM使用这一巧妙地设计，将仅占有32位的对象指针，变成实际上可以使用35位，也就是最大可以表示32GB的内存地址，这一精妙绝伦的设计，笔者叹为观止。

  当然，这里只是说JVM在开启指针压缩下的寻址能力，而实际上64位操作系统的寻址能力是很强大的，如果JVM被分配的内存大于32GB，那么会自动关闭指针压缩，使用8字节的指针进行寻址。

• 解答遗留问题：为什么不使用16字节对齐

  第一节的遗留问题，为什么不用16字节对齐的第二个原因，其实学习完指针压缩之后，答案已经很明了了，我们在使用8字节对齐时并开启指针压缩的情况下，最大的内存表示范围已经达到了32GB，如果大于32GB，关闭指针压缩，就可以获取到非常强大的寻址能力。

  当然，如果假设JVM中没有指针压缩，而是开始就设定了对象指针只有8字节，那么此时如果需要又超过32GB的内存寻址能力，那么就需要使用16字节对齐，原理和上面说的相同，如果是16字节对齐，那么对象的内存地址后4位一定为0，那么我们在存储和读取的时候分别左移右移4位，就可以仅用32位的指针，获取到36位的寻址能力，寻址能力也就可以达到64GB了。

结语

本篇文章是JVM系列的第二篇，主要基于上一篇的《Oop-Klass模型》来解构Java对象，主要阐述了Java对象的内存布局，对其进行了分情况讨论，并在代码中进行佐证，最后深入浅出地谈了谈关于指针压缩技术的技术场景及实现原理。

那么JVM在宏观上，究竟是一种怎样的结构，由什么区域构成，以及JVM在运行时是如何调度这些对象的，这些内容笔者会在下一篇文章中进行阐述。

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